土木工程材料合成高分子材料概要第1頁/共34頁第8章合成高分子材料

本章學習目標1.

熟悉合成高分子材料的性能特點及主要的高分子材料品種；2.

熟悉土木工程中合成高分子材料的主要制品及應用，包括塑料、膠粘劑及涂料。本章的難點是從合成高分子材料的組成來理解它的性能，正確地根據工程實際選用合適的合成高分子材料。建議在學習中通過對比來理解不同種類的高分子材料的性能及應用。第2頁/共34頁

有機高分子材料是由高分子化合物組成的材料。在土木工程中所涉及的主要有塑料、橡膠、化學纖維、膠粘劑和涂料。本章主要介紹塑料、膠粘劑和涂料。這些有機高分子材料的基本成分是人工合成的高分子化合物，簡稱高聚物。由高聚物加工而成，或高聚物對傳統材料改性所制得的土木工程材料，習慣上稱為化學合成建筑材料，即化學建材。第3頁/共34頁8.1合成高分子化合物的基本知識

8.1.1高分子化合物的分類

1、按分子鏈的形狀分類

第4頁/共34頁

線型高分子化合物的主鏈原子排列成長鏈狀，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

支鏈型高分子化合物的主鏈也是長鏈狀的，但帶有大量的支鏈，如ABS樹脂等。

體型高分子化合物的長鏈被許多橫跨鏈交聯成網狀，或在單體聚合過程中二維或三維空間交聯形狀空間網絡，分子彼此固定。如環氧、聚酯等樹脂的最終產物。

根據分子鏈的形狀不同，可將高分子化合物分為線型、支鏈型和體型三種。第5頁/共34頁聚合物的物理狀態及性能特點按溫度區域可劃分為玻璃態、高彈態和粘流態。當溫度較低時，聚合物受外力作用時產生的變形較小，彈性模量大，且變形可恢復，此狀態稱為玻璃態。玻璃態是塑料的使用狀態，凡室溫下處于玻璃態的聚合物都可用作塑料。當溫度升高至玻璃化轉變溫度以上，聚合物受外力作用時產生變形較大，彈性模量較小，外力除去后又會逐步恢復原狀，且變形是可逆的，此狀態稱為高彈態。高彈態是橡膠的使用狀態，凡室溫下處于高彈態的聚合物均可用作橡膠，因此高彈態也叫橡膠態。粘流態是聚合物成型時的狀態。第6頁/共34頁在室溫下，聚合物總是處于玻璃態、高彈態和粘流態三種狀態之一，其中，高彈態是聚合物所特有的狀態。當溫度一定時，不同聚合物可能處于不同的物理狀態，因此表現出不同的力學性能。第7頁/共34頁2、

按對熱的性質分類

按受熱時的特點可分為熱塑性和熱固性兩類。熱塑性高聚物在加熱時呈現出可塑性，甚至熔化，冷卻后又凝固硬化。這種變化是可逆的，可以重復多次。這類的高分子化合物其分子間作用力較弱，為線型及帶支鏈的高聚物。熱固性高聚物是一些支鏈高分子化合物，加熱時轉變成粘稠狀態，發生化學變化，相鄰的分子相互連接，轉變成體型結構而逐漸固化，其分子量也隨之增大，最終成為不能熔化、不能溶解的物質。這種變化是不可逆的，大部分縮合樹脂屬于此類。第8頁/共34頁

8.1.2高分子化合物的合成及命名

將低分子單體經化學方法聚合成為高分子化合物常用的合成方法有加成聚合和縮聚聚合兩種。

加成聚合

加成聚合又叫加聚反應，是聚合物最主要的聚合方式之一，通常是在催化劑的存在下，含有雙鍵的單體打開雙鍵，相互連接而得到聚合物長鏈分子。在加聚反應過程中無副產物，由一種單體加聚而得的稱為均聚物，如乙烯加聚得到聚乙烯，氯乙烯加聚得到聚氯乙烯等。第9頁/共34頁

由兩種或兩種以上單體共加聚稱為共聚，通過單體的共聚可以得到各種性能優良的塑料，如丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）共聚可以制造性能優異的工程塑料（ABS），可用作電器開關、外殼、裝飾板等；乙烯、丙烯共聚可以得到耐老化性能極好的乙丙橡膠，可用作高檔防水卷材的主要原料；由丁二烯、苯乙烯共聚可以制造丁苯橡膠，可以制造建筑上用的膠板、膠粘劑、減振件等。由加聚反應得到的樹脂稱為聚合樹脂，其命名一般是在其原料名稱前面加以“聚”字，如聚乙烯、聚苯乙烯等。第10頁/共34頁

縮聚聚合

縮聚又稱縮聚反應，是含有活性官能團的單體經縮合反應相互連接而得到高分子量的聚合物。縮聚反應過程中有副產物——小分子化合物產生，所以由縮聚反應制成的樹脂其化學組成與單體不同。若參加縮聚反應的單體只有兩個官能團，則只能生成直鏈聚合物，如聚對苯二甲酸乙二醇脂（PET）；若參加縮聚反應的單體有兩個以上的官能團，則聚合后就會生成不溶、不熔的三維網狀聚合物，也稱為熱固性樹脂。

縮聚反應生成物的樹脂稱為縮合樹脂，其命名一般是在原料名稱后加上“樹脂”兩字，如環氧樹脂、聚酯樹脂等。第11頁/共34頁

8.1.3高分子化合物的基本性質

1、高分子材料的性能優點

①優良的加工性能。如塑料可以采用比較簡便的方法加工成多種形狀的產品。

②質輕。如大多塑料密度在0.9～2.2g/m3之間，平均為1.45g/cm3，約為鋼的1/5。

③導熱系數小。如泡沫塑料的導熱系數只有0.02～0.046W/（m·K），約為金屬的1/1500，混凝土的1/40，磚的1/20，是理想的絕熱材料。

④化學穩定性較好。一般塑料對酸、堿、鹽及油脂均有較好的耐腐蝕能力。其中最為穩定的聚四氟乙烯，僅能與熔融的堿金屬反應，與其它化學物品均不起作用。第12頁/共34頁⑤電絕緣性好。

⑥功能的可設計性強。可通過改變組成配方與生產工藝，在相當大的范圍內制成具有各種特殊性能的工程材料。如強度超過鋼材的碳纖維復合材料、密封材料、防水材料等。

⑦出色的裝飾性能。如各種塑料制品不僅可以著色，而且色彩鮮艷耐久，并可通過照相制版印刷，模仿天然材料的紋理（如木紋、花崗石、大理石紋等），達到以假亂真的程度。第13頁/共34頁

2、合成高分子材料的性能缺點

易老化

所謂老化是指高分子化合物在陽光、空氣、熱以及環境介質中的酸、堿、鹽等作用下，分子組成和結構發生變化，致使其性質變化，如失去彈性、出現裂紋、變硬、變脆或變軟、發粘失去原有的使用功能的現象。塑料、有機涂料和有機膠粘劑都會出現老化。目前采用的防老化措施主要有改變聚合物的結構，加入各種防老化劑的化學方法和涂防護層的物理方法。第14頁/共34頁

耐熱性差

高分子材料的耐熱性能普遍較差，如使用溫度偏高會促進其老化，甚至分解；塑料受熱會發生變形，在使用中要注意其使用溫度的限制。

可燃性及毒性

高分子材料一般屬于可燃的材料，但可燃性受其組成和結構的影響有很大差別。如聚苯乙烯遇火會很快燃燒起來，聚氯乙烯則有自熄性，離開火焰會自動熄滅。部分高分子材料燃燒時發煙，產生有毒氣體。一般可通過改進配方制成自熄和難燃甚至不燃的產品。不過其防火性仍比無機材料差，在工程應用中應予以注意。第15頁/共34頁8.2建筑塑料

塑料是以聚合物為基本材料，加入各種添加劑后，在一定溫度和壓力下混合、塑化、成型的材料或制品的總稱。

7.2.1建筑塑料的特性A、質量輕塑料的密度為1～2g/cm3，為鋼材的1/8～１/４，可大大減輕建筑物的自重，對高層建筑更具特殊意義。

B、比強度高

比強度是強度與表觀密度之比。塑料的強度較高，而表觀密度低，其比強度遠超過傳統的土木工程材料，是一種優質的輕質高強材料。第16頁/共34頁C、可塑性好具有優良的加工性能，塑料可按需要調節制品硬度、密度、色澤，用多種加工工藝塑制成不同形狀的產品，適應建筑上不同用途的需要。D、耐腐蝕性好其化學穩定性良好，是憎水性材料，對弱酸弱堿的抵抗性強。E、耐水性好塑料具有較高的耐水性。F、耐熱性能塑料的耐熱性一般都不好，軟化溫度為100-200℃。塑料的熱膨脹系數高，是傳統材料的3～4倍。第17頁/共34頁G、老化在陽光、氧、熱等條件作用下，塑料中聚合物的組成和結構發生變化，致使塑料性質惡化，這種現象稱為老化。塑料存在老化問題，但通過一定措施，塑料制品的使用壽命可以和其他材料媲美，有的甚至能高于傳統材料。H、可燃性塑料大多可燃，且在燃燒時會產生大量有毒的煙霧。這是它作為土木工程材料的一個弱點。目前正在研究具有自熄性、難燃甚至準不燃的塑料。第18頁/共34頁

8.2.2塑料的組成

合成樹脂

塑料的基本組成材料，起著膠結劑的作用，含量為30%-60%。塑料的主要性能決定于所采用的合成樹脂。填充料

填充料的作用：節約樹脂，降低成本，調節塑料的物理化學性能。含量40%-70%。常用的有機填充料有木粉、紙屑、廢棉、廢布等；常用無機填充料有滑石粉、石墨粉石棉、玻璃纖維等。第19頁/共34頁添加劑

為了改善或調節塑料的某些性能，以適應使用或加工時的特殊要求而加入的輔導材料，如增塑劑、固化劑、著色劑、阻燃劑、穩定劑等。增塑劑

增塑刑一般為沸點較高、不易揮發、與樹脂有良好相溶性的低分子油狀物，不僅使塑料加工成型方便、而且可改善塑料的韌性和柔順性等機械性能。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯等。第20頁/共34頁固化劑

主要作用是在聚合物中生成橫跨鍵、使線型高聚物交聯成體型高聚物，從而使樹脂具有熱固性，制得堅硬的塑料制品。

著色劑

主要作用是可使塑料具有鮮艷的色彩和光澤。著色劑除滿足色彩要求外，還應具有分散性好，附著力強，不與塑料成分發生化學反應，不腿色等特性。第21頁/共34頁

阻燃劑

加入后能提高塑料的耐燃性和自熄性。常用的有氫氧化鋁，三氧化銻等。

穩定劑

防止和緩解高聚物的老化，延長塑料制品的使用壽命。第22頁/共34頁

8.2.3常用建筑塑料常用熱塑性塑料的種類有

聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）

ABS塑料聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰胺等常用的熱固性塑料有酚醛、環氧、不飽和聚酯、有機硅等第23頁/共34頁

它是建筑中用量最大的一種塑料。硬質聚氯乙烯的密度為1.38～1.43g/cm3，機械強度高，化學穩定性好，使用溫度范圍一般在-15～+55℃之間，適宜制造塑料門窗、下水管、線槽等。

聚氯乙烯（PVC）聚乙烯塑料在建筑上主要用于給排水管、衛生潔具。

聚乙烯（PE）第24頁/共34頁

聚丙烯的密度在所有塑料中是最小的，約為0．90左右。聚丙烯常用來生產管材、衛生潔具等建筑制品。

聚丙烯（PP）

聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯為無色透明類似玻璃的塑料。聚苯乙烯在建筑中主要用來生產泡沫隔熱材料、透光材料等制品。第25頁/共34頁ABS塑料

ABS塑料是改性聚苯乙烯塑料，以丙烯睛（A）、丁二烯（B）及苯乙烯（S）為基礎的三組分所組成。ABS塑料可制作壓有花紋圖案的塑料裝飾板等。第26頁/共34頁塑料在土木工程中常用于制作塑料門窗、管材和型材等

塑料在土木工程中的應用

塑料門窗

塑料門窗分為全塑門窗及復合塑料門窗兩類，全塑門窗多采用改性聚氯乙烯樹脂制造。塑料門窗具有隔熱、隔音、氣密性好、耐腐蝕、維護費用較低等優點，但其線膨脹系數較高，硬度較低，不耐磨。復合塑料門窗常用的種類為塑鋼門窗，它是在塑料門窗框內部嵌入金屬型材制成。第27頁/共34頁

塑料管材和型材

塑料管有熱塑性塑料管和熱固性塑料管兩大類。

塑料管的種類有：硬質聚氯乙烯（UPVC）塑料管、聚乙烯（PE）塑料管、聚丙烯（PP）塑料管和PPR塑料管、聚丁烯（PB）塑料管、玻璃鋼（FRP）管和復合塑料管等。

第28頁/共34頁8.3膠粘劑

膠粘劑是能將各種材料緊密地粘結在一起的物質的總稱。用膠粘劑粘結建筑構件、裝飾品等不僅美觀大方，工藝簡單，還能將不同材料的構件很容易地聯結在一起并有足夠的結合強度，此外粘合劑還可以起到隔離、密封和防腐蝕等作用。

除此之外，膠粘劑還必須對人體無害。我國已制定了GB18583－2001《室內裝修材料膠粘劑中有害物質限量》的強制性國家標準。第29頁/共34頁8.3.1膠粘劑的組成、要求及分類

膠粘劑的基本組成材料有粘料、固化劑、填料和稀釋劑等。此外，為使膠粘劑具有更好的性能，還應加入一些其它的添加劑，如增韌劑、抗老化劑、增塑劑等。

①粘料

粘料是膠粘劑的基本組分，或稱基料，它使膠粘劑具有粘附特性。粘料通常由一種或幾種聚合物配合而成。用于膠接結構受力部位的膠粘劑是以熱固性樹脂為主；用于非受力部位和變形較大部分的膠粘劑是以熱塑性樹脂和橡膠為主。

第30頁/共34頁②固化劑